轮辋、罐头和飞机：铝和铝铸件
铸造厂的提取、加工和铸造
铝越来越受欢迎
铝是世界上第三丰富的元素，也是地壳中最丰富的金属。铝占地球核心质量的 8% 以上。然而，与铁等其他金属相比，它难以精炼。出于这个原因，铝的使用落后于其他金属产品，而开发出有效且具有成本效益的方法来克服这些复杂性。
铝业和钢铁业有很多相似之处。两者都依赖于从地球表面的矿石中提取金属。两者的制造过程都是能源密集型的，并且涉及将液态金属倒入铸件或使用连铸机。铝和钢也在汽车和航空航天工业的类似市场上竞争。但这些金属的加工工艺和性能存在显着差异。
铝加工
铝土矿是一种含铝量高的沉积岩；通常约为 46-60%。铝土矿通常被几米厚的岩石和粘土覆盖，必须先将其清除，然后才能回收铝土矿。铝土矿在运输加工前经过破碎或洗涤厂。
在 1880 年代中期，两种不同的方法被发明并串联使用来生产铝。拜耳法使用化学工艺从铝土矿中提取铝。 Hall-Heroult工艺采用电解法从拜耳法生产的氧化铝或氧化铝中提取铝。
拜耳法
铝土矿被粉碎并与苛性钠混合以产生含有细矿石颗粒的浆料。浆料的温度保持在 140°C 至 280°C 之间，具体取决于所加工的特定矿石。在此期间，铝溶解到苛性钠溶液中。所有的杂质都从溶液中沉淀出来，形成一种叫做赤泥的残留物。
该过程的最后一步是将晶种添加到苛性钠溶液中。溶解的氧化铝附着在这些晶种上。拜耳法的最终产品是氧化铝或氧化铝，外观为白色粉末。
Hall-Heroult 过程
铝厂的还原单元由串联的还原罐或电解槽组成。每个锅都由衬有碳的钢壳制成。将含有氧化铝的熔融冰晶石（一种氟化物矿物）倒入每个罐中，并将碳电极从顶部插入溶液中。当电流通过冰晶石溶液时，铝与氧气分离，形成二氧化碳气体。铝液聚集在锅底。
然后定期将液态氧化铝从还原罐中吸入真空桶中。将其转移到熔炉中并在模具中或通过连铸机铸造成锭。通过该工艺生产的铝纯度约为 99.8%。铝生产的电解过程非常耗能，每吨产量需要 15 兆瓦时。因此，大多数冶炼厂都位于发电机旁边，例如水力发电厂。
铝铸件
一旦铝被提取和加工，下一步就是将其铸造成产品形式。铝铸件是通过将熔融金属倒入已按所需最终产品的图案成型的模具中形成的。生产铸件的常用成型方法有三种：压铸、永模铸造和砂型铸造。
压铸
压铸使用压力将熔融铝压入钢模。这种类型的铸件通常用于批量生产零件，这些零件需要最少的精加工和机加工。压铸的周期时间短，但模具成本高。加压铸造系统形成了高强度的表皮，但内部比永久性模具铸造更弱。压铸分为低压压铸和高压压铸两种。
压铸
低压
高压
良好的强度值
较低的强度值
适合自动化
适合自动化
简单的模具和机器技术
复杂且昂贵的模具
较慢的铸造周期
铸造周期短
降低投资和运营成本
投资和运营成本高
最小壁厚约 3 毫米
适用于薄壁部件
永久模铸造
永久性模具铸造使用钢或其他金属模具和型芯。通过将铝倒入模具中形成坚固的铸件。永久性模具用于创建具有一致性的高度可重复的零件。它们的快速冷却速度产生了更一致的微观结构，可以显着提高机械性能。
永久模具铸造用于制造合金轮毂。铝制车轮也比钢制车轮更轻，旋转所需的能量更少。它们提供更高的燃油效率，以及更好的操控、加速和制动。然而，对于重型工业轨道应用，钢轮更常用。它们的耐用性使它们几乎不可能弯曲或破裂。在轨道上使用时，钢轮更能容忍轨道的不规则性，提高安全性。
砂型铸造
砂铸件是通过在所需产品的图案周围填充细砂混合物来制造的。该图案略大于最终产品，以允许铝在冷却时收缩。砂型铸造是经济的，因为砂可以多次重复使用。它对于创建大型模具或具有详细设计的模具也很有效。前期模具成本较低，但单件价格较高，使得砂型铸造更适合大规模生产的专业铸件。
铝液的控制直接关系到铸件的质量。将合金元素添加到熔融铝中以达到所需的铝等级和性能。控制合金在整个铝中的添加和分布将确保产品完好无损，并具有预期的机械性能。
铝以柱状晶粒结构固化。这些柱子生长到与另一个颗粒接触的点——颗粒越多，分子结构越精细。晶粒细化使用钛和硼来创造晶粒核位，以实现这种精细结构。
氢气是一种杂质，会在产品凝固时产生气孔，从而导致铝铸件出现缺陷。在铸造过程中，需要脱气和吹扫气体，以保持环境中没有任何可能对最终产品产生负面影响的杂质。
铸造合金
有多种铸造合金可供选择，以适应最终应用。这些铸造合金中的每一种都有自己的特点，如可焊性、可加工性、耐腐蚀性和热处理性能。
熔融铝具有几个可以控制以最大化铸造性能的特性。熔融铝在熔融状态下容易吸收氢气和氧化物，并且可能对微量微量元素敏感。虽然一些装饰或商业铸件可能不需要额外的处理，但进一步的精加工通常是有益的。严格的熔体控制和专业的熔融金属加工技术可以提高机械性能。
铝饰面和涂层
铝的美学吸引力之一是其高反射率。这一特性已被用于制造具有清洁表面光洁度的高端消费产品。表面上自然形成的薄氧化层进一步增强了这一点。通过对产品进行阳极氧化，可以使该层变厚。氧化层的存在有效地密封了铝免受进一步氧化，使其非常耐腐蚀。各种饰面和涂层可以帮助铝材达到这种光泽而耐用的品质。
完成
某些铝合金经过热处理以增强其特定应用的性能。将实心铸铝加热到预定温度，使分子微观结构均匀分布在整个材料中。然后快速冷却使微观结构图案保持在原位并获得理想的性能。
不能热处理的合金通过冷加工完成，主要是轧制。通过将分子紧密压在一起，最大限度地减少了微观结构中的缺陷，从而大大提高了金属强度。
涂料
铝具有高质量的表面光洁度，已经美观。然而，不同的涂层可以为饰面提供更多的好处。
PVDF 涂层
PVDF 涂料是溶剂型涂料，具有非常高的耐候性。但是，它们可能会被划伤。 PVDF 不会因暴露在阳光下而褪色，并且可以制成金属外观。
液体涂料
液体涂料比 PVDF 涂料更经济，但它们的性能也不太理想。它们的光洁度较低，耐候性不强。
粉末涂料
粉末涂料符合最严格的耐久性规范，与 PVDF 涂料相同。它们具有出色的饰面外观，在窗框和门框的建筑应用以及护柱和自行车架等现场陈设中很受欢迎。它们承受更多的磨损，并且通常指定在酒店和商店等人流量大的区域。
阳极氧化
阳极氧化用于加厚被氧化的表层，增强产品的耐腐蚀性。该涂层坚硬、耐用且可自我修复，使其成为建筑师的热门选择。阳极氧化过程是使用一系列浸渍槽进行的。
铝属性
众所周知，铝质轻。事实上，它的重量几乎是铁的三倍，密度为 2,700 kg/m 3 .值得注意的是，铝的低密度不会影响其强度。铝合金具有广泛的强度特性，抗拉强度范围为 70 至 700 MPa。在低温下，铝的强度增加，而在高温下，强度降低。
铝也可以很容易地加工，并且由于密度较低，所需的功率也较低。铝的高延展性使其能够轻松挤压。这使产品能够弯曲和卷曲，是铝箔生产的关键特征。
https://www.depend-foundry.com/wp-content/uploads/aluminum-rolling.mov
铝质量和标准
铝产品根据产品中使用的合金材料进行认证。最常见的合金元素包括：
- 硅
- 铁
- 铜
- 镁
- 锌
按特性和成分按系列分类的铝
系列
铝 %
合金
可热处理
属性
应用程序
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- 优异的耐腐蚀性和可加工性
- 高导热性和导电性
- 传输
- 电网线
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铜
是的
- 高强度和高韧性
- 耐腐蚀性较低
- 飞机
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锰
没有
- 中等强度
- 良好的可加工性
- 热交换器
- 炊具
- 饮料罐
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硅
没有
- 低熔点不脆
- 焊丝
- 钎焊棒
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镁
没有
- 中等到高强度
- 耐海洋环境腐蚀
- 良好的可焊性
- 建筑和施工
- 储罐
- 压力容器
- 海洋应用
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硅和镁
是的
- 中高强度
- 优异的耐腐蚀性
- 高焊接性
- 建筑
- 结构
- 卡车
- 海洋框架
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锌
是的
- 非常高的强度
- 飞机
- Apple 手表
系列
铝 %
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系列
合金
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铜
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锰
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硅
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镁
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硅和镁
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锌
系列
可热处理
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是的
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没有
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没有
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没有
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是的
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是的
系列
属性
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- 优异的耐腐蚀性和可加工性
- 高导热性和导电性
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- 高强度和高韧性
- 耐腐蚀性较低
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- 中等强度
- 良好的可加工性
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- 低熔点不脆
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- 中等到高强度
- 耐海洋环境腐蚀
- 良好的可焊性
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- 中高强度
- 优异的耐腐蚀性
- 高焊接性
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- 非常高的强度
系列
应用程序
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- 传输
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- 焊丝
- 钎焊棒
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- 建筑和施工
- 储罐
- 压力容器
- 海洋应用
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- 建筑
- 结构
- 卡车
- 海洋框架
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- 飞机
- Apple 手表
健康与安全
在 Hall-Heroult 过程中，会释放出大量气体。这些气体被捕获和处理，因为有毒的氟化物必须在它们释放到大气中之前被去除。铝生产过程会产生二氧化碳，导致铝产品的碳足迹更高。许多制造商将铝冶炼厂与水力发电厂等可再生能源并列，而不是通过化石燃料发电。
以可溶形式，Al 3+ ，铝对植物有毒。酸性土壤往往会加速 Al 3+ 的释放 从其矿物中提取并降低这些领域的产品产量。由于全球几乎一半的耕地是酸性的，铝对作物产量的负面影响可能很严重。
人体也会受到铝的影响。铝堆积对健康的影响包括增加患阿尔茨海默病和某些癌症的风险，尽管尚未得到最终证实。在高浓度时，铝是一种神经毒素，会作用于大脑和骨骼结构。铝存在于发酵剂、乳化剂和着色剂以及一些抗酸产品中。
铝材应用
铝是一种全面的金属，具有发光表面，可满足包括各种商业和家居用品在内的多元化市场的需求。
航空
航空航天工业的进步很大程度上依赖于铝制品的发展。它们的综合特性，尤其是重量轻和强度大，使人类能够开发出足够坚固和轻便的交通工具，以逃离地球大气层。莱特兄弟在他们的第一架木架双翼飞机的发动机曲轴箱中使用了铝。现代商用运输机 80% 由铝组成——主要存在于机身中，尤其是机身和机翼。铝在航天工业中被广泛用于国际空间站的航天飞机和结构。
建筑与建筑
电网和输电线路已经转移到铝而不是铜作为基础。这是由于电缆的延长长度具有出色的导电性和重量轻。铝合金也用于建筑以提供坚固的框架，可以承受大玻璃板的巨大重量。建筑师在机场和高层建筑中广泛使用这些特征。
场地陈设
尽管大多数现场家具（长凳、垃圾箱、自行车架等）都固定在适当的位置，但可移动的系船柱是一种交通引导装置，可以放置在适当的位置以防止车辆进入，也可以将其移除以允许进入。由于金属的重量轻，铝通常用于可移动的系柱应用；活动人员进出更容易。
食品和饮料
罐头食品和饮料是铝占主导地位的另一个市场。铝罐快速冷却并提供高度可印刷的表面。 The high levels of recyclability also make aluminum an attractive match for this industry. They also protect the flavor and integrity of the contents sealed inside due to their protection against oxygen, light, and other contaminants.
Appliance and technology
Home appliances have also benefited from the properties of aluminum. Its thermal properties make it ideal for refrigeration applications, while the light weight enables appliances to be easily moved and transported. With the development of the “brushed aluminum” finish, highly aesthetic products can be created for the high-end market. The technology company Apple has led the way in creating aluminum laptops, which are made from a single block of aluminum. Flat screen TVs also benefit from the lightweight property of aluminum; an equivalent steel product would be too heavy to hang on a wall.
Automotive
Car makers are under more pressure to reduce the carbon footprint of their vehicles. Lightweight aluminum frames, body panels, and engines help this cause by improving the fuel economy. There are also other environmental benefits, as nearly 90% of automotive aluminum scrap is collected for recycling.
Aluminum recycling
Most aluminum can be recycled. Beverage cans and automobile parts are high catchment industries where material is collected and recycled effectively. Once used aluminum is collected, it is taken to a treatment facility, where it is sorted into different grades and cleaned. The metal is then melted down to remove the coatings, inks, and other impurities. During this stage, alloys can be added as necessary, after which it is cast into ingots. These ingots can be supplied to foundries where it is used for casting, or moved to other manufacturers for further processing. Recycled aluminum can be returned to the market as new products in as little as six weeks.
Aluminum cleaning and maintenance
Most aluminum products can be kept clean using plain water or a mild soap or detergent. Where stains are more stubborn, turpentine can be used or a non-etching chemical cleaner. For more cleaning power, wax-based polishes, abrasive waxes, or abrasive cleaners can be used. It is important to dry aluminum products after cleaning to avoid streaking, and cleaning residue must be removed from edges and joints.
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金属